JP2004360779A

JP2004360779A - 多層アルミニウム基合金摺動部材

Info

Publication number: JP2004360779A
Application number: JP2003159088A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Kagohara; 幸彦籠原; Takeshi Hoshina; 毅保科; Hideo Ishikawa; 日出夫石川; Masaaki Sakamoto; 雅昭坂本
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24
Also published as: DE102004025557C5; GB2402447A8; GB2402447B; GB2402447A; US20040247932A1; GB0411397D0; DE102004025557A1; DE102004025557B4; US7074496B2

Abstract

【課題】裏金層にアルミニウム基合金からなる中間接着層を介してアルミニウム基摺動合金層を接着してなる多層アルミニウム基合金摺動材料において、中間接着層の高い耐疲労性を維持しながら接着性の向上を図る。
【解決手段】鋼裏金２にアルミニウム基合金からなる中間接着層３を介してアルミニウム基合金からなる軸受合金層４を接着してなる多層アルミニウム基合金軸受１において、その中間接着層３を、下層５と上層６の２層から構成し、鋼裏金２に接する下層５の硬さを上層６よりも軟らかくする。下層５は軟質であるから、鋼裏金２に対する接着性に優れ、また上層６は硬いので、軸受合金層４に加わる荷重に良く耐える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は裏金層にアルミニウム基合金からなる中間接着層を介してアルミニウム基合金からなる摺動合金層を接着してなる多層アルミニウム基合金摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム基合金からなる摺動合金、例えば内燃機関用アルミニウム基軸受合金としては、従来から、Ａｌ−Ｓｎ系、Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｚｎ系の材料が知られている。このアルミニウム基軸受合金は、一般に鋼裏金に対して純アルミニウム又はアルミニウム基合金からなる中間接着層を介して接着され、軸受として製造される。
【０００３】
このようなアルミニウム基軸受合金においては、最近の内燃機関の高出力化に対処するために、耐疲労性に優れた強度の高いものが開発されてきている。ところが、中間接着層としては、軟らかい材料の方が良好なる接着性を発揮するため、純アルミニウム或は硬さの低いアルミニウム基合金が使用されてきた。しかしながら、中間接着層に純アルミニウム又は硬さの低いアルミニウム基合金を使用したものでは、高荷重が作用すると、その軟らかさ故に、塑性変形を起こし軸受端面からはみ出してくる。
【０００４】
この問題を解消するものとして、中間接着層の硬さがアルミニウム基軸受合金に対して、ビッカース硬さで４０％以上、７０％以下で、且つ中間接着層の硬さがビッカース硬さで２５以上、アルミニウム基軸受合金の硬さがビッカース硬さで５０以上としたアルミニウム基合金軸受がある（例えば特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２５６４０１２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
中間接着層の硬さとしては、鋼裏金に対するアルミニウム基軸受合金の接着性を良くするために、低いものが使用されてきていた。ところが、エンジンの高出力化に対処するために、硬さの高いアルミニウム基軸受合金を使用すると、そのアルミニウム基軸受合金の硬さの４０％以上の硬さを有する中間接着層では、耐疲労性の点では満足できても、硬すぎることとなって接着性に劣るものとなってしまう。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、裏金層にアルミニウム基合金からなる中間接着層を介してアルミニウム基摺動合金層を接着してなる多層アルミニウム基合金摺動材料において、中間接着層の高い耐疲労性を維持しながら接着性の向上を図ることができる多層アルミニウム基合金摺動材料を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、裏金層にアルミニウム基合金からなる中間接着層を介してアルミニウム基合金からなる摺動合金層を接着してなる多層アルミニウム基合金摺動部材において、前記中間接着層を、前記裏金層に接する層と、この裏金層に接する層よりも前記摺動合金層側に位置する少なくとも１層とから構成し、前記裏金層に接する層よりも前記摺動合金層側に位置する層の少なくとも１層の硬さが前記裏金層に接する層よりも硬いことを特徴とする。
【０００９】
多層アルミニウム基合金摺動部材は、通常、摺動合金層を構成するアルミニウム合金板と、中間接着層を構成するアルミニウム合金板とをロール圧接して複合アルミニウム合金板を製造し、この複合アルミニウム合金板を鋼板にロール圧接して製造する。
【００１０】
このため、中間接着層のうち、裏金層に接する部分は裏金層との接着性に優れることが要求される。また、中間接着層のうち、摺動合金層側の部分は、相手側から当該摺動合金層に加わる荷重が直接的に作用する部分であるので、この部分には高荷重に耐える機能が特に要求される。
【００１１】
本発明では、上記のように中間接着層を２以上の層から構成し、そのうち裏金層に接する層よりも摺動合金層側に位置する少なくとも１層の硬さを裏金層に接する層よりも硬くしているので、この硬い層が高荷重に耐え、しかも、高荷重によって端面からはみ出すような塑性変形を起こすこともない。一方、裏金層に接する層は、その硬さが比較的低い、つまり軟らかいので裏金層に対して良好なる接着性を発揮する。以上のことから、本発明の中間接着層は、耐疲労性及び接着性に優れ、摺動部材の長寿命化を実現する。
【００１２】
中間接着層において、摺動合金層側に位置する層の少なくとも一層の硬さは、Ｈｖ（ビッカース硬さ）で２５以上、７０以下とすることが好ましい。Ｈｖが２５以上であると、その軟らかさに起因する端面からのはみ出しや、疲労を防止する能力が特に高く、Ｈｖ７０以下であると、圧延などの塑性加工性や、なじみ性が特に良好なものとなる。より好ましい硬さは、Ｈｖ３５〜６０である。
【００１３】
本発明では、中間接着層において、裏金層に接する層よりも摺動合金層側に位置する層の全ての硬さが裏金層に接する層の硬さよりも硬くすることができる。このようにすれば、中間接着層の耐疲労性が一層向上する。
また、中間接着層において、裏金層に接する層の厚さは、中間接着層全体の厚さの５％以上で５０％未満とすることができる。
【００１４】
中間接着層のうち、裏金層に接する層は、前述のように裏金層に対して良好なる接着性を発揮する部分である。この層の厚さが、中間接着層全体の厚さの５％以上では、相対的に薄過ぎる場合に生じる圧接時の破れを抑制する効果が大きいので、破れ部分から摺動合金層側の相対的に硬い層が露出したりすることへの防止に特に有利である。そのため、安定した接着強度を得ることに対して特に優れたものとなる。
【００１５】
裏金層に接する層の硬さは摺動合金層側に位置する少なくとも１層よりも低いが、裏金層に接する層の厚さが中間接着層全体の５０％未満であると、中間接着層は、機械的性質が十分に高いものとなり、端面からはみ出すような塑性変形や疲労を防止する能力が高くなる。このため、裏金層に接する層の厚さが中間接着層全体の厚さの５％以上、５０％未満の場合は、裏金層と中間接着層との接合界面、中間接着層のうち裏金層に接する層の内部を起点とする疲労に対する防止能力が特に優れる。より好ましくは、中間接着層の裏金層に接する層の厚さは、中間接着層全体の厚さの８〜３０％である。
【００１６】
本発明では、中間接着層のうち、裏金層に接する層の硬さは、当該裏金層に接する層よりも摺動合金層側に位置する層の少なくとも１層の硬さの４０％以上１００％未満とすることができる。
４０％以上では、耐荷重性が特に優れ、摺動部材の端面からはみ出したリ、疲労に至ることを防止する能力が特に優れる。１００％未満では、硬すぎることがないため、圧延などの塑性加工性、なじみ性が特に優れたものとなる。
【００１７】
本発明では、中間接着層において、裏金層に接する層の硬さがビッカース硬さで３０以上、裏金層に接する層よりも摺動合金層側に位置する層の硬さがビッカース硬さで４０以上とすることができる。
各層がＨｖ３０以上、Ｈｖ４０以上では、高荷重下での使用においても優れた耐荷重性を発揮し、耐疲労性が特に優れる。
【００１８】
本発明では、中間接着層のうち、裏金層に接する層は下記（１）〜（４）のうちの一つ以上を含有することができる。
【００１９】
（１）Ｓｉ１〜８．５質量％
理由：ＳｉはＡｌ中に固溶すると共に、高硬度のＳｉ粒子として晶出し、合金硬度を高める。１質量％以上ではその効果が顕著であり、８．５質量％以下で延性などの塑性加工性が特に優れ、十分に安定した接合強度を確保できる。より好ましくは、４〜８質量％である。
【００２０】
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜７質量％
理由：これらの選択元素はＡｌマトリクスの強度を向上させる。０．０１質量％以上ではその効果が顕著であり、７質量％以下では、粗大な金属間化合物の生成防止能力が特に高く、また、圧延などの塑性加工性が特に優れ、接合もより安定する。より好ましくは，０．５〜６質量％である。
【００２１】
（３）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗのうちから選択された１種以上の元素を０．０１〜３質量％
理由：これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶するか、または金属間化合物、或は単体として晶出することにより、合金の強度を向上させる。０．０１質量％以上ではその効果が顕著であり、３質量％以下では金属間化合物の粗大化防止能力が特に高く、圧延などの塑性加工性が特に優れる。より好ましくは、０．２〜２質量％である。
【００２２】
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうちから選択された１種以上の元素を０．０１〜２質量％
理由：これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶し、疲労強度を高める効果を持つ。０．０１質量％以上ではその効果が顕著であり、２質量％以下では靱性が特に高いものとなる。より好ましくは、０．０２〜０．５質量％である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１により説明する。
図１には多層アルミニウム基合金摺動部材としての多層アルミニウム基合金軸受１の断面が示されている。同図のように、多層アルミニウム基合金軸受１は、裏金層、例えば鋼裏金２上にアルミニウム基合金からなる中間接着層３を介してアルミニウム基合金からなる摺動合金層としての軸受合金層４を接合して構成されている。中間接着層３は、複数層、例えば２層構造のもので、鋼裏金２側の下層５と、軸受合金層４側の上層６からなる。
【００２４】
上記の軸受合金層４を構成するアルミニウム基軸受合金は、アルミニウムに下記の（１）〜（５）のうち、一つ以上を含有してなる。
（１）３〜２０質量％のＳｎ
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．１〜７質量％
（３）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜３質量％
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜２質量％
（５）Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎのうちから選択された１種以上の元素を総量で３質量％以下
【００２５】
また、２層のアルミニウム中間接着層３のうち、下層５は、アルミニウムに次の（１）〜（４）のうちの少なくとも１つを含有してなる。
（１）Ｓｉ１〜８．５質量％
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜７質量％
（３）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗのうちから選択された１種以上の元素を０．０１〜３質量％
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうちから選択された１種以上の元素を０．０１〜２質量％
【００２６】
一方、上層６は０を越え２質量％以下のＭｎ、０を越え２質量％以下のＣｕ、０を越え２質量％以下のＭｇ、０を越え２質量％以下のＦｅのうち、少なくとも一種以上を含有している。
【００２７】
次に図１に示す多層アルミニウム基合金軸受１の製造方法について説明する。
【００２８】
まず、通常の鋳造及び圧延によって軸受合金層４を構成するアルミニウム基軸受合金板を作る。また、通常の鋳造及び圧延により、中間接着層３の下層５を構成するアルミニウム合金板と上層６を構成するアルミニウム合金板とを作り、それら２枚のアルミニウム合金板を圧接により接合して中間接着層用アルミニウム合金複合板を作る。そして、アルミニウム基軸受合金板と中間接着層用アルミニウム合金複合板とを圧接により接合して複層アルミニウム合金板を作る。
【００２９】
次に、鋼裏金を構成する低炭素鋼ストリップに複層アルミニウム合金板を重ね合わせてロール圧接し、アルミニウム基軸受合金板を中間接着層用アルミニウム合金板を介して鋼裏金に接合してなるバイメタルを作る。
【００３０】
なお、以下の説明では、アルミニウム基軸受合金板は軸受合金層４、中間接着層用アルミニウム合金板は中間接着層３、低炭素鋼ストリップは鋼裏金２という。
【００３１】
上記のようにしてバイメタルを製造した後、そのバイメタルを約３５０℃で３時間加熱する焼鈍を行ない、その後、バイメタルを半円筒状或いは円筒状に加工して軸受として製造する。
【００３２】
バイメタルを焼鈍した後、そのバイメタルを溶体化処理しても良い。この溶体化処理は、バイメタルを４６０〜５２０℃で１０〜３０分加熱することによって行う。この溶体化処理により、アルミニウム基軸受合金層４のＣｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、ＳｉなどがＡｌマトリックスに固溶する。溶体化処理後は、バイメタルを急冷する。これにより、軸受合金層４の強度を高める。その後、バイメタルを半円筒状或いは円筒状に加工して軸受として製造する。更に、バイメタルを急冷した後、人工時効処理（例えば１５０〜２００℃で２０時間）を施しても良い。
【００３３】
ここで、軸受としての完成時における中間接着層３の全体の厚さは、１０〜７０μｍ、そのうち、裏金層側である下層の厚さは２〜３０μｍで、全体の３％以上、６０％未満に定められている。また、上層６の硬さは、Ｈｖ２２〜７５以下であり、下層５の硬さはビッカース硬さで上層６の３７％以上、１００％未満になっている。下層５の硬さはＨｖ３０以上、上層６の硬さはＨｖ４０以上であることが好ましい。
【００３４】
図２は本発明の他の実施例を示すもので、この実施例が上記一実施例と異なるところは、中間接着層７を、鋼裏金２と接する下層８と、この下層８上に接合されて当該下層８よりも軸受合金層４側に位置する中央層９と、この中央層９上に接合されてアルミニウム基軸受合金層４に接する上層１０の３層構造としたところにある。
【００３５】
そして、下層８及び上層１０は、上記一実施例の下層５及び上層６と同じ組成のアルミニウム合金から構成され、中央層９は上記一実施例の下層５または上層６と同じ組成のアルミニウム合金から構成しても良いし、異なる組成のものから構成しても良い。この場合、中央層９の硬さは、下層８よりも硬く、上層１０よりも軟らかいことが好ましいが、下層８よりも軟らかくても、或は上層１０よりも硬くとも良い。
【００３６】
さて、本発明者は発明の効果を確認するために、次の表１に示される中間接着層を有したアルミニウム基合金軸受を製造し、接着試験及び疲労試験を実施した。ここで、表１の各試料の軸受合金層は、Ｓｎ：１３質量％。Ｓｉ：３質量％、Ｃｕ：１．０質量％、残りＡｌからなる。また、溶体化処理は行っていない。
接着強度試験は、軸受合金層を鋼裏金層から接合面と平行に剥離させたときのせん断強さにより表した。また、疲労試験の条件は表２に示す通りである。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
表１の中間接着層において、層▲１▼、▲２▼、▲３▼のある試料は図２の３層構造のものであり、層▲１▼が下層、層▲２▼が中央層、層▲３▼が上層である。層▲３▼のない試料は図１の２層構造のものであり、層▲１▼が下層、層▲２▼が上層である。
試験結果を考察してみると、発明品１及び２と比較品１とを比較すると、比較品１は層▲１▼（下層）の硬さが高く、圧接時の塑性変形能が不足するため、接着強度が低く、耐疲労性に劣る。
【００４０】
発明品３と比較品３とを比較すると、比較品３では、層▲１▼（下層）の硬さが高く、圧接時の塑性変形能が不足するため、接着強度が低く、耐疲労性に劣ると共に、層▲１▼（下層）が薄く、硬さの低い層▲２▼（中央層）及び層▲３▼（上層）が相対的に厚くなり、軸受端面からのはみ出しが発生してしまう。
【００４１】
発明品４と比較品４とを比較すると、比較品４では層▲１▼（下層）の硬さが高く、圧接時の塑性変形能が不足するため、接着強度が低く、耐疲労性に劣ると共に、硬さの高い層▲１▼（下層）が厚いため、軸受のなじみ性が不足し、耐疲労性が低下している。
【００４２】
発明品５と比較品２とを比較すると、比較品２は層▲１▼（下層）の硬さが高く、圧接時の塑性変形能が不足するため、接着強度が低く、耐疲労性に劣ると共に、硬さの低い層▲３▼（上層）で疲労が発生してしまう。
【００４３】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或は変更が可能である。
中間接着層は２層、３層に限らず、４層或はそれ以上の層からなるものであっても良い。この場合、最下層（裏金に接する層）は、上の層（摺動合金側の層）の少なくとも一層より軟質で、中間接着層全体の厚さの５％以上、５０％未満であれば良い。
本発明は、軸受に限られず、動く相手側を受ける摺動部材に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す軸受の断面図
【図２】本発明の他の実施例を示す図１相当図
【符号の説明】
図中、１は多層アルミニウム基合金軸受（多層アルミニウム基合金摺動部材）、２は鋼裏金（裏金）、３，７は中間接着層、４は軸受合金層（摺動合金層）である。

Claims

裏金層にアルミニウム基合金からなる中間接着層を介してアルミニウム基合金からなる摺動合金層を接着してなる多層アルミニウム基合金摺動部材において、
前記中間接着層を、前記裏金層に接する層と、この裏金層に接する層よりも前記摺動合金層側に位置する少なくとも１層とから構成し、前記裏金層に接する層よりも前記摺動合金層側に位置する層の少なくとも１層の硬さが前記裏金層に接する層よりも硬いことを特徴とする多層アルミニウム基合金摺動部材。
前記中間接着層において、前記裏金層に接する層よりも前記摺動合金層側に位置する層の全ての硬さが前記裏金層に接する層の硬さよりも硬いことを特徴とする請求項１記載の多層アルミニウム基合金摺動部材。
前記中間接着層において、前記裏金層に接する層の厚さは、中間接着層全体の厚さの５％以上で５０％未満であることを特徴とする請求項１又は２記載の多層アルミニウム基合金摺動部材。
前記中間接着層において、前記裏金層に接する層の硬さは、当該裏金層に接する層よりも前記摺動合金層側に位置する層の少なくとも１層の硬さの４０％以上１００％未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多層アルミニウム基合金摺動部材。
前記中間接着層のうち、前記裏金層に接する層よりも前記摺動合金層側に位置する層の少なくとも１層の硬さがビッカース硬さで２５以上７０以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の多層アルミニウム基合金摺動部材。
前記中間接着層において、前記裏金層に接する層の硬さがビッカース硬さで３０以上、前記裏金層に接する層よりも前記摺動合金層側に位置する層の硬さがビッカース硬さで４０以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の多層アルミニウム基合金摺動部材。
前記中間接着層のうち、前記裏金層に接する層は下記（１）〜（４）のうちの一つ以上を含有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の多層アルミニウム基合金摺動部材。
（１）Ｓｉ１〜８．５質量％
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜７質量％
（３）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗのうちから選択された１種以上の元素を０．０１〜３質量％
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうちから選択された１種以上の元素を０．０１〜２質量％